數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四章觸發(fā)器課件

1、第四章 觸發(fā)器4.1 概述 是一種具有記憶功能的邏輯單元電路，能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼，也稱鎖存器。1. 觸發(fā)器的概念2. 觸發(fā)器的特點(diǎn) (1)有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，“0” 態(tài)和“1” 態(tài)； (2)可由輸入信號將觸發(fā)器置“0”態(tài)和置“1”態(tài)； (3)輸入信號消失后，輸出仍能自行保持“0”態(tài)或“1”態(tài)。 按電路結(jié)構(gòu)可分為：基本RS觸發(fā)器、同步RS 觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、CMOS邊沿觸發(fā)器和維持阻塞觸發(fā)器。3. 分類 按邏輯功能可分為：RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和D觸發(fā)器。4. 學(xué)習(xí)方法 重點(diǎn)掌握觸發(fā)器的特性和動(dòng)作特點(diǎn)，對具體的電路結(jié)構(gòu)不做要求。4.2 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和動(dòng)作特點(diǎn)4.2.1 基本RS觸發(fā)器

2、的電路結(jié)構(gòu)和動(dòng)作特點(diǎn)1.電路結(jié)構(gòu)與工作原理問題： 左圖的或非門是不是觸發(fā)器？ 答：不是 (1)可輸出“0”態(tài)和“1”態(tài)； (2)可將輸出置“0”和“1”； (3)但不能自保持。 如何實(shí)現(xiàn)自保持呢？ 在電路中加反饋通道。說明：(1)Q和 Q是互補(bǔ)輸出端，且定義： Q=1,Q=0為觸發(fā)器的“1”狀態(tài), Q=0,Q=1為觸發(fā)器的“0”狀態(tài),顯然這里的0和1是針對Q而言； (2)SD為置位端，或置“1”輸入端；(3)RD為復(fù)位端，或置“0”輸入端；討論： 當(dāng)SD=0，RD=0時(shí)，輸出保持原狀態(tài)不變； 當(dāng)SD=1，RD=0時(shí)，不論原來的Q是0還是1，都將使Q=1，Q=0，即將觸發(fā)器置1，稱SD置位端；

3、當(dāng)SD=0，RD=1時(shí)，不論原來的Q是0還是1，都將使Q=0，Q=1，即將觸發(fā)器置0，稱RD復(fù)位端； 當(dāng)SD=1，RD=1時(shí)，置Q=Q=0，這是不允許的。原因是首先它破壞了輸出的互補(bǔ)關(guān)系，其次，當(dāng)SD和RD均為0后，輸出狀態(tài)不定。用或非門組成的基本RS觸發(fā)器的特性表（P217表5.2.1）基本RS觸發(fā)器的邏輯符號：其中Qn 指現(xiàn)態(tài)，Qn+1指次態(tài)。基本RS觸發(fā)器也可由與非門做成，如下圖： 由與非門組成基本RS觸發(fā)器和由或非門組成的基本RS觸發(fā)器具有同樣的功能，只是輸入的有效電平不同。與非門為低電平有效。用與非門組成的基本RS觸發(fā)器的特性表（P217表5.2.2）基本RS觸發(fā)器小結(jié)： （1）有兩

4、個(gè)互補(bǔ)的輸出端，有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)； （2）有置位(Q=1)、復(fù)位(Q=0)、保持原狀態(tài)三種功能； （3）S為置位輸入端，R為復(fù)位輸入端，可以是低電平有效，可以是高電平有效，取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。2.動(dòng)作特點(diǎn)： SD和RD可以隨時(shí)改變輸出端Q和Q的狀態(tài)。P218 例5.2.14.2.2 電平觸發(fā)的觸發(fā)器 在數(shù)字系統(tǒng)中，為協(xié)調(diào)個(gè)部分的動(dòng)作，常常要求某些觸發(fā)器于同一時(shí)刻動(dòng)作，顯然基本RS觸發(fā)器是做不到的。 為此，必須引入同步信號，使這些觸發(fā)器只有在同步信號到達(dá)時(shí)，才按輸入信號改變狀態(tài)，通常把這個(gè)同步信號叫做時(shí)鐘脈沖，用CP（Clock Pluse的縮寫）或CLK表示。 這種受時(shí)鐘信號控制的觸發(fā)器統(tǒng)稱為

5、時(shí)鐘觸發(fā)器，以區(qū)別于基本RS觸發(fā)器。1.電路結(jié)構(gòu)與工作原理 由兩個(gè)非門和一個(gè)基本RS觸發(fā)器組成。分析： （2）CP=1時(shí)，G3、G4的輸出取決于R和S,輸出Q隨R和S的變化而變化。 （1）CP=0時(shí)，無論S、R為何值，G3G4總輸出高電平，由SD和RD為低電平有效，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。 電平觸發(fā)RS觸發(fā)器的特性表（P220 表5.3.1） 為增強(qiáng)實(shí)用性，有的電平觸發(fā)RS觸發(fā)器上還設(shè)有專門的異步置位輸入端和異步復(fù)位輸入端。所謂異步，是指不受時(shí)鐘信號控制。2.電平觸發(fā)觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)： （1）CP=0時(shí)，觸發(fā)器不接收R、S信號，保持原來的狀態(tài)。 （2）CP=1時(shí)， R、S狀態(tài)將決定輸出，如果CP

6、=1期間輸入信號多次發(fā)生變化，則觸發(fā)器狀態(tài)會(huì)多次反轉(zhuǎn)。（抗干擾能力差）P222 例5.3.1P222 例5.3.1由電平觸發(fā)觸發(fā)器構(gòu)成的D觸發(fā)器（D鎖存器）： （1）CP=0時(shí)，觸發(fā)器不接收D信號，保持原來的狀態(tài)。 （2）CP=1時(shí)， 若D=1，則置1； 若D=0，則置0；SRP223 例5.3.24.2.3 脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器 在前述的電平觸發(fā)觸發(fā)器中，CP=1期間，若R、S多次變化，則輸出Q多次翻轉(zhuǎn)，抗干擾能力差。 為提高觸發(fā)器工作的可靠性，希望每個(gè)CP周期里輸出狀態(tài)Q只能改變1次，因此設(shè)計(jì)了脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器。1.脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理01封鎖保持傳遞信號10封鎖保持傳遞信號P

7、225 特性表2.動(dòng)作特點(diǎn)： （1）觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)分兩步：第一步，CP=1期間主觸發(fā)器接受輸入信號，而從觸發(fā)器保持；第二步，CP下降沿到來時(shí)，從觸發(fā)器按主觸發(fā)器的輸出Q翻轉(zhuǎn)。 （2）在CP=1期間，若R、S改變多次，則Q和Q翻轉(zhuǎn)多次，最后的Q將決定Q。P225例5.4.1 3.脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器的優(yōu)化（主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器） 無論是基本RS觸發(fā)器、電平觸發(fā)觸發(fā)器、還是脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器，都沒有擺脫S、R均為有效電平時(shí)，可能導(dǎo)致輸出狀態(tài)不定的陰影。 為此，在脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器中，希望即使出現(xiàn)了S=R=1的情況，觸發(fā)器的次態(tài)也是確定的，因而需要進(jìn)一步改進(jìn)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)。 如何改進(jìn)？將Q和Q端作為一對附加控制

8、信號接回到輸入端，并且用J代替S，用K代替R。分析結(jié)果： (1)若J=1,K=0，則CP=1時(shí)主觸發(fā)器置“1” (無論Q是0還是1)，待CP=0后，從觸發(fā)器也置“1” 。 (2)若J=0,K=1，則CP=1時(shí)主觸發(fā)器置“0” (無論Q是0還是1)，待CP=0后，從觸發(fā)器也置“0” 。 (3)若J=0,K=0，則主、從觸發(fā)器都保持原狀態(tài)。 (4)若J=1,K=1，若Qn =0，則Qn+1=1；若Qn =1，則Qn+1=0。即Qn+1 = Qn 。換句話說，J=K=1時(shí)，每遇到一個(gè)CP的下降沿，則Q翻轉(zhuǎn)一次。2.動(dòng)作特點(diǎn)： （1）分兩拍； （2）輸出Q是由下降沿來臨之前的Q決定的； （3）J=K=

9、1時(shí)，觸發(fā)器遇一個(gè)CP下降沿就翻轉(zhuǎn)一次；圖5.4.4 具有多輸入端的主從 J K 觸發(fā)器P228 例5.4.5觸發(fā)器回顧： 觸發(fā)器的置1和置0是針對Q而言，若使Q=1則稱置1，若使Q=0則稱置0；并且觸發(fā)器有一個(gè)互補(bǔ)輸出端Q。1.基本RS觸發(fā)器 (1) 輸出有三種形式，置位Q=1 、復(fù)位Q=0 、保持原狀態(tài)； (2) S為置位輸入端，R為復(fù)位輸入端，可以是低電平有效，可以是高電平有效，取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)；(3)動(dòng)作特點(diǎn)：輸出隨時(shí)由輸入決定。2.電平觸發(fā)觸發(fā)器 (1)、(2)同基本RS觸發(fā)器； (3)動(dòng)作特點(diǎn)： CP=0時(shí)，觸發(fā)器不動(dòng)作（保持原狀態(tài)）； CP=1時(shí)，輸出由輸入決定，若RS變化多次

10、，輸出可能變化多次。3.脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器 (1)、(2)同基本RS觸發(fā)器； (3)動(dòng)作特點(diǎn)：分兩拍 CP=1時(shí)，主觸發(fā)器的輸出Q由RS決定，從觸發(fā)器不動(dòng)； CP下降沿到來后，主觸發(fā)器不動(dòng)，從觸發(fā)器的輸出由此時(shí)的Q決定。 注意：在CP=1期間，若RS變化多次，則Q變化多次，而Q只反映時(shí)間上最靠后的Q,主觸發(fā)器存在空翻現(xiàn)象。主從JK觸發(fā)器 (1)輸出有四種形式：置位、復(fù)位、保持和翻轉(zhuǎn)。(2)同基本RS觸發(fā)器；(3)動(dòng)作特點(diǎn)：分兩拍 注意：在CP=1期間，若JK變化多次，而Q只變化1次，稱一次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 最后，大部分的鐘控觸發(fā)器都設(shè)有異步置位和異步復(fù)位端，所謂異步是指不受時(shí)鐘控制。4.2.4 邊沿觸

11、發(fā)觸發(fā)器 引出：在前述的脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器中，雖然一個(gè)CP周期內(nèi)的輸出Q最多只會(huì)改變一次，已經(jīng)提高了抗干擾能力，但是在CP=1期間，當(dāng)R、S多次變化時(shí)，主觸發(fā)器仍出現(xiàn)多次空翻的現(xiàn)象。 為進(jìn)一步提高觸發(fā)器的可靠性，提高抗干擾能力，希望觸發(fā)器的次態(tài)僅僅取決于CP信號的下降沿(或上升沿)到達(dá)時(shí)刻輸入信號的狀態(tài)。而在此之前和之后輸入狀態(tài)的變化對觸發(fā)器的次態(tài)沒有影響。為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，人們相繼研制成了各種邊沿觸發(fā)器。 目前的邊沿觸發(fā)器有：利用CMOS傳輸門的邊沿觸發(fā)器、維持阻塞觸發(fā)器和利用門電路傳輸延遲時(shí)間的邊沿觸發(fā)器。1.利用CMOS傳輸門的邊沿觸發(fā)器(上升沿觸發(fā)器) CP=0,CP=1時(shí)，TG1通，TG

12、2斷，Q=D，Q不能自保持；與此同時(shí)，TG3斷，TG4通，Q保持原來的狀態(tài)，且與此時(shí)的D無關(guān)。 CP=1,CP=0時(shí)，TG1斷，TG2通，Q為CP上升沿時(shí)刻的D，并通過TG2自保持；與此同時(shí)，TG3通，TG4斷，Q=Q=上升沿時(shí)刻的D。如此CP周而復(fù)始，Q總是反映CP上升沿時(shí)刻的D。動(dòng)作特點(diǎn)： 輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在CP上升沿且僅取決于CP上升沿時(shí)刻的輸入D；輸出狀態(tài)會(huì)保持到CP的下一個(gè)上升沿。CMOS邊沿觸發(fā)器的特性表(P232 表5.5.1)：符號：SD和RD代表異步置位和復(fù)位輸入端；“”表示邊沿觸發(fā)，且是上升沿觸發(fā)；問：當(dāng)出現(xiàn)“O”時(shí)，表示什么?2.維持阻塞觸發(fā)器(上升沿觸發(fā)器) 若電路中

13、沒有原圖中的根連線，則該圖就是一個(gè)同步RS觸發(fā)器。 在整個(gè)CP=1期間，輸出隨輸入變化而變化。是電平觸發(fā)而不是邊沿觸發(fā)。 若在電路中增加兩根連線，則G3、G5是一個(gè)基本RS觸發(fā)器，G4、G6是一個(gè)基本RS觸發(fā)器。 在CP由0上升為1的瞬間，兩個(gè)觸發(fā)器分別鎖存輸入的RS信號。即使RS信號無效后，仍能記憶CP上升沿時(shí)刻的狀態(tài)，并且維持下去。因此也稱維持線。 CP=1時(shí)段：假如上升沿到來時(shí)，S=0,R=1而使Q=1，若此后的CP=1期間出現(xiàn)R=0,S=1，即R欲使輸出置0；如果不采取措施，則此時(shí)G3G4的輸出均為0，這是不允許的。但若加上兩根線，則G3G4也組成了觸發(fā)器，當(dāng)收到S=1, R=1信號時(shí)

14、，該新組合的觸發(fā)器是自保持的，即阻止了R有效信號，因此稱為阻塞線。3.利用傳輸延遲時(shí)間的邊沿觸發(fā)器(下降沿觸發(fā)器)工作原理不作講解。P203 表4.2.7 觸發(fā)器的特性表4.3 觸發(fā)器的邏輯功能及其描述方法 上節(jié)是站在電路結(jié)構(gòu)的角度對觸發(fā)器進(jìn)行了分類：有基本RS觸發(fā)器、電平觸發(fā)的觸發(fā)器、脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。 本節(jié)是站在邏輯功能的角度對觸發(fā)器進(jìn)行了分類：有RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器和T觸發(fā)器。 值得注意的是：電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能不具有一一對應(yīng)關(guān)系。 值得注意的是：電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能不具有一一對應(yīng)關(guān)系。 以D觸發(fā)器為例： (1)P222圖5.3.4,由電平觸發(fā)的觸發(fā)器構(gòu)成，且為電平觸

15、發(fā)； (2)P231圖5.5.1,由CMOS傳輸門邊沿觸發(fā)器構(gòu)成，且為上升沿觸發(fā)； (3)P234圖5.5.5,由維持阻塞結(jié)構(gòu)的邊沿觸發(fā)器構(gòu)成，且為上升沿觸發(fā)； 總之，以上幾種結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器，它們的邏輯功能都是相同的，D=0，則Q=0; D=1，則Q=1。不同之處在于電路結(jié)構(gòu)不同，觸發(fā)方式可能不同。 同理，邊沿觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)也可構(gòu)成JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器等，不詳細(xì)介紹。 以下站在邏輯功能的角度討論鐘控觸發(fā)器。1.RS觸發(fā)器 不論電路結(jié)構(gòu)為何種形式，也不論觸發(fā)方式為電平觸發(fā)還是邊沿觸發(fā)，只要邏輯功能滿足如下特性表，均稱為RS觸發(fā)器。S RQnQn+10 00 00 10 11 01 01

16、 11 10101010101001111a.RS觸發(fā)器的特性表b.由特性表寫邏輯函數(shù)式無關(guān)項(xiàng)：利用無關(guān)項(xiàng)化簡：111XXSRQn111XXSRQn化簡結(jié)果：特性方程c.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖是將來分析時(shí)序電路的重要手段，這里只是認(rèn)識一下。 用兩個(gè)圓圈分別代表觸發(fā)器的兩個(gè)狀態(tài)，用箭頭表示轉(zhuǎn)換方向(Qn Qn+1),箭頭旁邊注明了轉(zhuǎn)換條件。 總之，一個(gè)觸發(fā)器的邏輯功能有3種描述方法：即特性表、特性方程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。2.JK觸發(fā)器 不論電路結(jié)構(gòu)為何種形式，也不論觸發(fā)方式為電平觸發(fā)還是邊沿觸發(fā)，只要邏輯功能滿足如下特性表，均稱為JK觸發(fā)器。J KQnQn+10 00 00 10 11 01 01 1

17、1 10101010101001110a.JK觸發(fā)器的特性表b.由特性表寫邏輯函數(shù)式利用卡諾圖化簡：1111JKQn化簡結(jié)果：特性方程c.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖3.D觸發(fā)器 不論電路結(jié)構(gòu)為何種形式，也不論觸發(fā)方式為電平觸發(fā)還是邊沿觸發(fā)，只要邏輯功能滿足如下特性表，均稱為D觸發(fā)器。DQnQn+1001101010011a.D觸發(fā)器的特性表b.由特性表寫邏輯函數(shù)式特性方程DQnQn+1001101010011c.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4.T觸發(fā)器(通常由集成的JK觸發(fā)器構(gòu)建)TQnQn+1001101010110a.T觸發(fā)器的特性表由特性表可以看出：當(dāng)T=0時(shí)，輸出保持原狀態(tài)；當(dāng)T=1時(shí)，每來一個(gè)CP信號，輸出翻轉(zhuǎn)一次。b.由特性表寫邏輯函數(shù)式特性方程 T觸發(fā)器特性方程與JK觸發(fā)器特性方程非常相似，對比 可知，若令J=K=T則，JK觸發(fā)器變?yōu)門觸發(fā)器。c.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和邏輯符號TQnQn+1001101010110 對T觸發(fā)器，若令T恒為1，